Tesi di Laurea
Collegamento alla rete PROFINET IO di una scheda
per l’acquisizione di dati provenienti da un sistema
di pesatura per macchine imbottigliatrici
Relatore: Prof. Stefano Vitturi Laureando: Giuseppe Zoppellaro
Indice IV
Elenco degli acronimi V
Introduzione 1 Presentazione Weightpack 5 1 La comunicazione industriale 9 1.1 I bus di campo . . . 9 1.2 Sistemi di comunicazione . . . 11 1.3 Sistemi distribuiti . . . 12 1.4 Il fenomeno Ethernet . . . 13
1.4.1 Ethernet tra Real time e determinismo . . . 13
1.4.2 Ethernet industriale . . . 15
1.4.3 Real Time Ethernet . . . 16
1.4.4 Protocolli Industrial Ethernet . . . 17
2 Il protocollo di comunicazione industriale Profinet IO 19 2.1 Scalabilità e prestazioni . . . 19
2.2 Classi di comunicazione . . . 21
2.3 Classi dei dispositivi . . . 22
2.4 Il periodo di trasmissione Profinet . . . 24
2.5 Lo stack di comunicazione . . . 25
2.6 I canali di comunicazione . . . 26
2.7 Scambio di dati ciclico . . . 27
2.7.1 Il ciclo RT . . . 27
2.8 Integrazione dei bus di campo . . . 29
3 Strumentazione da laboratorio e dispositivi Profinet IO 31 3.1 Il PLC “Siemens S7-300” . . . 32
3.4.2 Interfaccia di comunicazione seriale asincrona - SCI . . . 38
3.4.3 Interfaccia di comunicazione seriale sincrona - SSC . . . 38
3.4.4 La scheda “Evaluation Board” . . . 39
3.5 La stazione PC . . . 39
3.5.1 Il tool progettuale Step7 . . . 39
3.5.2 Lo SCADA “Zenon” . . . 42
3.6 L’oscilloscopio “HP” . . . 43
4 Misure e risultati sperimentali 47 4.1 Prima fase: allestimento . . . 47
4.2 Seconda fase: considerazioni preliminari alle misure . . . 50
4.3 Terza fase: primo set di misure . . . 52
4.3.1 Misura 1 . . . 52 4.3.2 Misura 2 . . . 54 4.3.3 Misura 3 . . . 56 4.3.4 Misura 4 . . . 58 4.3.5 Misura 5 . . . 60 4.3.6 Misura 6 . . . 62
4.4 Quarta fase: secondo set di misure . . . 65
ACK Acknowledgment
ABIC AnyBus Integrated Circuit ADC Analog to Digital Converter AR Application Relationship
ASCII American Standard Code for Information Interchange ASE Application Service Element
ASIC Application Specific Integrated Circuit CIM Computer Integrated Manifacturing CP Comunication Profile
CPU Central Processing Unit CR Communication Relationship
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection DAC Digital to Analog Converter
DCS Distributed control system
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DI Digital Input
DO Digital Output
GSD General Station Description HMI Human Machine Interface HRT Hard Real-Time
HTTP Hyper Text Transfer Protocol
ICT Information and Communication Technology ID Device Ident
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers IP Internet Protocol
IRT Isochronous Real Time
ISO International Organization for Standardization
ISO/OSI International Organization for Standardization (ISO)/Open Systems Interconnection (OSI)
LAN Local Area Network LLC Logical Link Control MAC Medium Access Control
MES Manifacturing Execution System MIF Monitor Interface
NMT Network Management OPC OLE for Process Control OSI Open Systems Interconnection PC Personal Computer
PI Profibus International
PLC Programmable Logic Controller PNI Profibus Network Italia
PNIO Profinet IO
RTU Remote Terminal Unit
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition SCI Serial Communications Interface
SDU service data unit
SNMP Simple Network Management Protocol SRT Soft Real-Time
SSC Synchronous Serial Channel TCP Transmission Control Protocol
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TDMA Time Division Multiple Access
I dispositivi impiegati per l’automazione nei sistemi di gestione della produzione o di controllo di processo lavorano all’interno di un sistema informativo che, secondo il modello di riferimento Computer Integrated Manifacturing (CIM), può essere sud-diviso in quattro livelli gerarchici: di pianificazione, di gestione del processo, di cella e di campo.
Le reti di comunicazione dei livelli più alti, ovvero quelli di pianificazione e di gestione del processo, devono soddisfare esigenze diverse da quelle presenti nei più bassi livelli di cella e di campo. Questi ultimi infatti, contrariamente ai primi, sono caratterizzati dallo scambio di modeste quantità di dati ma spesso richiedono rigidi vincoli tempo-rali ed un’elevata immunità ai disturbi elettromagnetici che possono essere presenti in ambiente industriale. La risposta a tale esigenza è arrivata e viene già impiegata da una ventina d’anni ed ha preso il nome di “bus di campo”.
In genere la comunicazione con mezzo bus di campo è di tipo seriale e quindi due fili sono sufficienti a tale collegamento: ne scaturisce una drastica riduzione dei ca-vi presenti aumentando la semplicità del cablaggio, specie in sistemi complessi di grosse dimensioni. I bus di campo sono reti di comunicazione basate su vari proto-colli ottimizzati per il collegamento di dispositivi di automazione di processo quali Programmable Logic Controller (PLC), microcontrollori, sensori, attuatori ed altre apparecchiature coinvolte nel processo produttivo. Come la maggior parte delle reti di comunicazione, anche i bus di campo si rifanno al modello di riferimentoOSI del quale però, tipicamente implementano solo il livello applicazione ed i due livelli dello strato fisico, allo scopo di realizzare un’architettura di comunicazione sufficientemen-te snella ma nel consufficientemen-tempo robusta (Stack OSIriportato in figura 1). Lo sviluppo e l’impiego di questi sistemi di comunicazione industriale prende il via a partire dagli anni ′80 e oggi, tra i bus di campo più diffusi e conosciuti, si annoverano Profibus,
CANbus, DeviceNet e ControlNet.
maggior numero di nodi e caratterizzate da una velocità di trasmissione più elevata, è stata prescelta per superare i limiti di prestazione caratteristici dei bus di campo tradizionali. A questi benefici di carattere puramente tecnico si affiancano vantaggi economici di contenimento dei costi legati all’impiego di dispositivi standardizzati, alla semplificazione della manutenzione ed alla riduzione del rischio di obsolescenza che, invece, caratterizzano tutte le soluzioni proprietarie. Per contro, la tecnologia Ethernet non è nata per la gestione del traffico real-time; di conseguenza, la sua ap-plicazione a livello di campo ha richiesto l’introduzione di adattamenti specifici che, sviluppati da diversi operatori del settore, hanno dato origine ad un certo numero di protocolli Ethernet industriali, tra i quali, ad esempio, Profinet, Ethernet Powerlink ed EtherCAT. Questo tipo di approccio consente appunto lo sfruttamento sinergico sia dei vantaggi offerti da una classica rete Ethernet (elevate quantità di dati trasmis-sibili, utilizzo di standard di comunicazione già affermati nel mondo office, ecc.) sia di quelli offerti dai Bus di campo ormai già consolidati (determinismo, flessibilità di struttura, diagnostica, cablaggio seriale, etc.). La flessibilità d’impiego e la naturale predisposizione all’integrazione dei vari livelli gerarchici di comunicazione, costitui-scono il punto di forza delle soluzioni Ethernet industriali che sembrano destinate sempre più ad assumere un ruolo dominante nel panorama delle reti di comunicazio-ne industriale.
raggiungimen-mente comunicazione basata su TCP/IP e comunicazione Real-Time scalabile per i controllori su un unico cavo, periferia decentrata e Motion Control. Un altro aspetto
Figura 2: Esempio grafico di una rete basata su protocollo Profinet.
WeightPack S.p.A. è un’azienda italiana che fornisce un’ampia gamma di macchine e servizi per linee da imballaggio a valore aggiunto, con la leadership tecnica in settori come lattierio-caseari, alimenti, bevande, detergenti liquidi, prodotti chimici, per la cura personale, olio da motore, etc.
Figura 3: Foto della sede di Weightpack.
usan-• garanzia di riempimento accurato sia per il consumatore sia per il fornitore; • capacità di calcolare la tara, il peso netto di riempimento di ogni bottiglia e la
deviazione standard di entrambi;
• garanzia di un riempimento accurato grazie al continuo monitoraggio del peso netto di ogni bottiglia durante la fase di riempimento;
• capacità di autocorrezione su ogni rotazione della riempitrice per ottenere un preciso peso finale;
• capacità di controllare e registrare le statistiche su ogni contenitore; • rifiuto automatico di contenitori riempiti in modo sbagliato;
• capacità di interrompere il riempimento nei seguenti casi: – peso dosato errato;
– tara fuori tolleranze; – incremento peso;
– tappo mal posizionato/danneggiato.
Dovendo competere a livello internazionale, i loro prodotti sono soggetti a conti-nue evoluzioni tecnologiche per garantire elevate prestazioni nel tempo e soddisfare appieno le richieste del cliente finale. Per questo motivo WeightPack si avvale, oltre che a team di ingegneri interni, di una stretta collaborazione con centri di ricerca universitari, mettendo a disposizione degli studenti risorse e competenze maturate in anni di attività. WeightPack coniuga elevata professionalità e competenze con me-todologie di lavoro che prevedono la massima cura dei particolari di progettazione e costruttivi. L’obiettivo è quello di riempire un contenitore nel minor tempo possibile prestando attenzione a parametri rigorosi come può essere la quantità di prodotto.
viene progettata per soddisfare le esigenze del cliente e quindi ogni macchina è sog-getta a modifiche di prosog-gettazione più o meno sostanziali a seconda della richiesta: molte di queste modifiche sono diventate brevetti industriali Weightpack. A riprova di quanto l’azienda si stia impegnando nella continua innovazione del prodotto c’è da annoverare il recente inserimento in Kilometro Rosso, parco scientifico tecnologico situato nel bergamasco e sede di reparti di ricerca di importanti aziende. Weight-pack crede nello sharing di informazioni tecnologiche con le aziende che fanno parte di Kilometro Rosso e che sono sempre state all’avanguardia nella R&S. Come si può leggere nel sito aziendale:
Capitolo
1
La comunicazione industriale
La comunicazione industriale è un argomento particolarmente complesso da tratta-re e per questo si è pensato di dedicatratta-re in questa tesi un btratta-reve capitolo, non con lo scopo di farne un’approfondita trattazione bensì di dare al lettore una discreta visione d’insieme sulla comunicazione industriale allo stato attuale. In un sistema automatizzato infatti, il bus di campo indica il tipo di comunicazione adottato per lo scambio di dati tra i diversi dispositivi costituenti il sistema sia di campo, sia di controllo. In questo settore si colloca il protocollo Profinet IO, che resta il bus di campo utilizzato in questo lavoro di tesi.
1.1
I bus di campo
La centralizzazione delle funzioni di controllo è stato il sistema più usato fin dagli anni
′80: tutte le funzioni di controllo vengono svolte da un’unica unità, alla quale si
colle-gano i diversi componenti del sistema d’automazione (trasduttori, attuatori, elementi di regolazione, sensori), dislocati nelle diverse aree dell’impianto. Il collegamento tra gli elementi periferici e l’unità centrale avviene per mezzo di cablaggi dedicati con tecnologia analogica utilizzando linee di comunicazione punto-punto (4/20 mA). I costi dei cablaggi, i problemi di disturbi elettromagnetici e di schermatura, la con-vivenza a bordo quadro di elementi fortemente disomogenei, hanno spinto la ricerca verso soluzioni di controllo alternative.
Con l’espressione bus di campo si vuole descrivere una nuova forma di comunicazione digitale dedicata ai sistemi a basso livello , quali sensori, attuatori, trasduttori, etc. con la quale si va a sostituire nell’industria la vecchia comunicazione analogica punto-punto. La modalità di comunicazione numerica presenta vantaggi sia in termini di possibilità di trasmettere un maggior quantitativo di informazioni, sia per la migliore potenzialità di interfacciamento con altri apparati. Fin dai primi anni ′80 si sono
modalità di connessione, tipicamenteRS232con protocolloASCII, risulta adatta per la fase di configurazione e predisposizione del dispositivo del trasduttore; in modalità operativa (con basso flusso di informazioni) ci si ritrova però ad avere un quantitativo di cavi paragonabile a quello con tecnologia analogica tradizionale. La tecnologia a bus, in cui un unico conduttore connette più sistemi, consente una notevole riduzione dei cablaggi: il bus rappresenta il mezzo fisico migliore per trasportare dati. I modi per collegare insieme più apparati sono svariati e verrà scelta la topologia migliore a seconda dell’uso; le più affermate in tal senso sono quella ad anello, a stella e a bus lineare, come da figura1.1.
Figura 1.1: Topologie di rete.
Di contro si ha che in un sistema più popolato servono delle regole più stringenti per gestire lo scambio dei dati: bisogna prevedere l’accesso contemporaneo al mezzo e regolamentare i dati in modo che vengano trasmessi in maniera rapida ed affida-bile. Tutto questo insieme di regole si chiama protocollo. I più recenti protocolli industriali sono stati sviluppati per poter gestire, oltre la trasmissione dei dati, anche una serie di informazioni atte al controllo e alla supervisione della rete stessa: queste informazioni devono essere disponibili in tempi brevissimi ed in grado di viaggiare in entrambe le direzioni; la tecnologia analogica risulta insufficiente a tali scopi già per impianti di medie dimensioni. Riassumendo si possono elencare i vantaggi introdotti con l’utilizzo dei bus di campo:
• riduzione massiccia dei cavi e relativo costo di cablaggio; • semplificazione della messa in servizio;
• possibilità di collegamento di prodotti di costruttori diversi; • raccordo di moduli diversi su una stessa linea;
• flessibilità di estensione dell’impianto;
• distanze di copertura tramite bus maggiori di quelle coperte con cablaggio standard;
Se da un lato c’è una semplificazione in molti passaggi, dall’altro lato si evidenziano degli aspetti ostici derivanti dalla crescita tecnologica:
• una necessità di conoscenze superiori per l’utilizzo di queste nuove tecnologie; • un investimento in strumentazione ed accessori (tools di sviluppo, monitoraggio
e diagnosi) che possono diventare abbastanza onerosi.
1.2
Sistemi di comunicazione
Un sistema di comunicazione nell’automazione industriale contiene al suo interno più settori di applicazione e di interesse. Per descrivere al meglio questa struttura si è fatto uso di una rappresentazione grafica piramidale chiamata CIM: “produzione integrata di fabbrica” è l’integrazione automatizzata tra i vari settori di un sistema di produzione (progettazione, ingegnerizzazione, produzione, controllo della qualità, pianificazione della produzione e marketing) al fine di minimizzare i tempi di sviluppo di un prodotto, ottimizzare la gestione delle risorse ed eventualmente essere flessibili per coprire quanto più possibile il mercato. Come si può vedere in figura 1.2 la
Figura 1.2: CIM- schema della produzione integrata di fabbrica.
struttura contiene al suo interno quattro livelli:
• livello 1: costituito di trasduttori (fine corsa, sensori, encoder, sonde, etc.) ed attuatori (relè, sistemi di avviamento, motori, etc.) posti nell’impianto di produzione;
• livello 3: chiamato anche livello di sistema, è composto da SCADA, che controllano e supervisionano i sistemi distribuiti del livello 2 e da sistemi tipo CAD/CAM e MESil cui compito è elaborare i dati di produzione e presentarli in forma adeguata al management;
• livello 4: Enterprise Resource Planning (ERP), “pianificazione delle risor-se d’impresa”, si tratta di un sistema di gestione che integra tutti i processi di business rilevanti di un’azienda (vendite, acquisti, gestione magazzino, con-tabilità, etc.); con la riduzione dei costi per l’Information and Communica-tion Technology (ICT), si sono sviluppate applicazioni che aiutano i business manager ad implementare questa metodologia nelle attività di business come controllo di inventari, tracciamento degli ordini, servizi per i clienti, finanza e risorse umane.
1.3
Sistemi distribuiti
I sistemi distribuiti sono sistemi composti da un gran numero di CPU distribuite nello stesso impianto e connesse tra loro da una rete ad alta velocità; il nome è in contrapposizione ai sistemi centralizzati formati da un’unica unità operativa, dalla sua memoria e da un insieme di periferiche e terminali ad essa collegati (schema in figura1.3). Al giorno d’oggi l’automazione industriale e di processo impone l’utilizzo
Figura 1.3: Rappresentazione di una rete centralizzata (a sinistra) e di una rete distribuita (a destra).
Tutto ciò deriva dai progressi tecnologici nel campo delle comunicazioni digitali (in-clusi i protocolli usati in internet) e nello sviluppo dei microprocessori. Il vantaggio sfruttato nell’automazione e nella gestione computerizzata dei reparti è strettamente legato al concetto di integrazione: una struttura aziendale diviene più snella e più efficente se i terminali dedicati a compiere una determinata funzione possono comu-nicare in Real-Time con altri terminali riservati ad altre funzioni, magari dislocati in aree diverse dell’impianto.
1.4
Il fenomeno Ethernet
Nei primi tempi Ethernet non veniva preso in considerazione nell’applicazione di cella poichè i bus impiegati erano in gran parte proprietari e di consolidato impie-go; l’utilizzo di Ethernet nell’ambito dell’industria era legato quasi esclusivamente a scambio di dati dal quadro elettrico verso i livelli di fabbrica e/o impianto legati alla produzione fino alla parte finanziaria dell’azienda. Nel corso degli ultimi anni, si è però assistito ad un’evoluzione del fenomeno: attraverso l’utilizzo di particolari pro-tocolli studiati appositamente per sopperire alle mancanze dei requisiti strettamente necessari per la comunicazione di campo, si è arrivati alla risoluzione di problemi di determinismo e real time delle reti su Ethernet.
1.4.1 Ethernet tra Real time e determinismo
La caratteristica principale del mezzo Ethernet è quella di operare a basso livel-lo (2- DataLink) con il protocollivel-lo Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD); con tale protocollo non può essere garantito alcun deter-minismo temporale.
Una delle parole chiave principali è funzionamento real-time: il sistema deve reagire entro un intervallo di tempo prevedibile e non superiore ad un certo valore prefissato. Un’altra definizione importante è quella di determinismo: esecuzione di operazioni in istanti predefiniti ed eventualmente periodici. Una rete deterministica e real time si chiama rete isocrona, [12].
Il tempo impiegato dal telegramma per arrivare a destinazione dipende dal traffi-co sulla rete, da eventuali errori che possono richiedere ritrasmissioni dello stesso etc. Prima di trasmettere su un mezzo dotato di accessi multipli (MA, Multiple Ac-cess), ogni nodo verifica, rilevando la presenza della portante, che nessun altro stia utilizzando il canale (CS, Carrier Sense). Una volta iniziata la trasmissione i nodi ascoltano ciò che si trova sul canale per verificare che non vi siano collisioni (CD, Collision Detect), ossia che altri nodi non abbiano iniziato a trasmettere prima di accorgersi che era già in atto una comunicazione.
preve-dibili.
L’impiego di Ethernet come bus di campo è risultato penalizzato nell’impiego di cella anche per il fatto che il numero di byte trasmessi è troppo elevato rispetto al nume-ro di byte che contengono l’informazione. Questi due limiti sono stati affnume-rontati e superati con l’introduzione delle seguenti innovazioni tecnologiche.
Fast Ethernet: termine che indica un numero di standard Ethernet che traspor-tano il traffico alla velocità di 100 Mbps rispetto alla velocità originale Ethernet di 10 Mbps. Molte applicazioni industriali non risentono un sostanziale giovamento nel semplice incremento di velocità di scambio: le performance di device di campo sono limitate più dalla bassa velocità del loro processore o del loro firmware piuttosto che dalla velocità della rete in sè. Migliora la gestione delle collisioni ma non risolve il problema del determinismo.
Switch: dispositivo hardware che opera al livello Data-Link (livello 2) del modello ISO/OSI. Inoltrando il messaggio solo al destinatario permette di risolvere il proble-ma delle collisioni. In un hub i dati inviati da un nodo vengono inviati in broadcast a tutti i nodi della rete; lo switch è una sorta di hub intelligente che può leggere e processare l’indirizzo di destinazione dei dati entranti e mandarli unicamente al-le porte richieste: più nodi possono trasmettere o ricevere contemporaneamente [4]. Vengono affidate allo switch gli oneri della gestione delle congestioni; il Flow Control, meccanismo atto a limitare il carico della rete che elimina la possibilità di perdere pacchetti in porte congestionate; la VLAN, che permette allo switch di raggruppa-re in modo logico più device e di isolaraggruppa-re il traffico tra i gruppi; la autonegotiation, cioè il riconoscimento automatico e negoziazione sia della velocità di trasferimento (10 − 100 Mbit/s), sia del tipo di funzionamento (full-duplex/half-duplex). A queste si aggiungono funzionalità di diagnostica, sicurezza, analisi di rete, mirroring delle porte, ridondanza, etc.
La classificazione tradizionale degli switch prevede la divisione in tre grosse classi (Store & Forward, Cut-Through e Fragment-Free). Quello più affidabile è denomi-nato Store & Forward, esegue un controllo completo di ogni pacchetto ricevuto prima di inoltrarlo alla destinazione; il prezzo da pagare è un ritardo variabile. Gli switch Cut-Through ricevono e memorizzano solo i byte iniziali del pacchetto necessari a capire la destinazione dello stesso; subito dopo inizia la trasmissione minimizzando così l’introduzione di ritardi. Infine, i Fragment-Free sono la versione più sicura dei Cut-Through poichè controllano che il pacchetto sia composto di almeno 64 byte impedendo l’inoltro di frame spuri.
Full duplex: introduce percorsi separati per la trasmissione e la ricezione dei dati e si applica a segmenti che contengano non più di due device: così trasmissione e ricezione possono avvenire simultaneamente senza il rischio di collisione.
ulteriormente l’incidenza del traffico non critico sui dati di maggior importanza. La definizione dei livelli di priorità viene realizzata utilizzando tre bit di una estensione di 4 byte prevista per gli standard 802.1p e 802.1q che modificano la trama originaria di Ethernet.
Anche in caso di utilizzo di switch aderenti allo standard IEEE 802.1q/1p, che introduce il concetto di priorità tra i frame, non risolve il problema. Infatti, l’uso dei priority tag per rendere un pacchetto più prioritario rispetto ad un altro garantisce che un frame ad alta priorità sorpassi un frame a bassa priorità nello switch, ma non permette di interrompere un frame già in fase di trasmissione per trasmetterne uno prioritario. In definitiva il problema dei ritardi random non è risolto.
Concludendo, si può affermare che il solo utilizzo di Ethernet standard non garantisce il determinismo in caso di reti trafficate [5]. Per garantire applicazioni di Hard real-time, richieste specialmente nel motion control, sono necessarie delle migliorie da apportare all’hardware per ridurre questo jitter; il controllore di rete offerto da Siemens, ad esempio, per le reti Profinet si basa su un Application Specific Integrated Circuit (ASIC) con elevate prestazioni denominato ERTEC che permette un’accurata sincronizzazione hardware tra i dispositivi [16].
Un corretto sistemaRTdovrà garantire sia il funzionamento corretto del sistema sia la sua puntuale e deterministica esecuzione. I sistemiRTgeneralmente sono suddivisi in due principali sottocategorie [4]:
• Soft Real-Time (SRT): sistema che se non rispetta la sua scadenza (sfonda la deadline) provoca un danno non irreparabile al funzionamento del sistema; • Hard Real-Time (HRT): sistema che nel caso superi temporalmente la sua
deadline provoca un danno irreparabile al sistema bloccando l’esecuzione dello stesso.
1.4.2 Ethernet industriale
Ethernet viene già da tempo impiegato nel settore industriale, ma solo a livello am-ministrativo: era la rete che collegava i vari uffici oppure collegava gli impianti di produzione a livello di area, non era la rete su cui viaggiavano i dati critici dell’au-tomazione. Con il termine Industrial Ethernet ci si riferisce in genere a quelle applicazioni che utilizzano Ethernet per le comunicazioni a livello di campo, ossia di PLCe periferia.
caratteristiche essenziali nel mondo della comunicazione industriale quali l’affida-bilità, la robustezza EMC e meccanica, la comunicazione tempo-deterministica, le azioni tempo-sincronizzate tra le periferiche di campo e la frequenza ed efficienza nello scambio dei dati.
Nei processi a livello di campo la comunicazione deve soddisfare le condizioni ap-pena citate, richiedendo esigenze temporali assai stringenti e spesso molto differenti tra loro. Ci sono due tipologie di casi temporalmente critici: processi periodici e processi asincroni. Nel primo caso l’evento deve avvenire con particolare regolarità temporale e quidi con una determinata frequenza per tutto il periodo di produzione; la comunicazione deve garantire che l’informazione prodotta giunga a destinazione prima della generazione dell’informazione successiva. Nei processi asincroni l’istante temporale in cui si verificherà l’evento non è noto, si considera solo la possibilità che esso si verifichi; il sistema di comunicazione ne deve garantire la trasmissione nei tempi più brevi possibili, dal momento della generazione fino alla ricezione da parte dei processi consumatori.
1.4.3 Real Time Ethernet
Tutti i sistemi Real-Time hanno un certo livello di jitter (variazione sul tempo ideale); questo deve essere misurabile in modo tale da poter garantire le prestazioni del sistema, cioè tale sistema deve garantire che un’elaborazione termini entro un dato vincolo temporale o entro una data scadenza (imposta dalla deadline). Bisogna quindi garantire la fattibilità della schedulazione: questo concetto è alla base della teoria dei sistemi deterministici ed oltre a garantire la validità dei dati scambiati ne devono assicurare la tempestività.
Per definire una comunicazione Real Time Ethernet (RTE) si sono introdotti alcuni parametri chiamati Performance Indicators, indicati nella normativa IEC 61784 [3], [15] e riportati di seguito:
• Delivery time: tempo necessario per trasmettere una service data unit (SDU) da un nodo sorgente ad un nodo destinatario. Viene misurato a livello applicazione tenendo conto del tempo di trasmissione e di tutti i tempi d’attesa. • Numero di nodi: ogni Comunication Profile (CP) impone un numero mas-simo di stazioni che possono essere collegate alla rete affinchè sia garantita la comunicazione Real-time.
• Topologia di rete: disposizione fisica della rete (vedi figura 1.1 a pagina 10).
• Numero di switch tra due nodi: ogni CP impone un numero massimo di switch tra due stazioni.
• Banda non RTE: indica la percentuale di banda che può essere destinata alla comunicazione non Real-Time in un collegamento.
• Accuratezza di sincronizzazione: indica la deviazione temporale massi-ma dei clock appartenenti a due diversi nodi della rete.
• Tempo di recupero ridondante: tempo massimo tra il fallimento di un singolo evento ed il ripristino del sistema considerando un fallimento perma-nente (si stabilisce una sorta di redundancy recovery time).
1.4.4 Protocolli Industrial Ethernet
Diversi approcci da parte di altrettante case produttrici hanno dato origine a più protocolli RTE, studiati e sviluppati a seconda delle prestazioni e delle esigenze degli utilizzatori. Si può comunque raggrupparli in tre categorie, riportate in figura 1.4; dalla categoria 3 alla 1 aumentano le prestazioni del protocollo ma anche le funzionalità che si dvono aggiungere a livello data link. Per una massima riduzione dei tempi si è reso necessario un intervento nella procedura di schedulazione a livello Medium Access Control (MAC). Di seguito i diversi tipi di approccio.
Figura 1.4: Vari protocolli basati su Ethernet industriale.
Capitolo
2
Il protocollo di comunicazione
industriale Profinet IO
Profinet è un protocollo innovativo che è stato sviluppato dal consorzio Profibus International (PI) ed è diventato uno standard internazionale con la normativa IEC 61158. I suoi obiettivi principali sono la riduzione dei costi di progetto e di messa in servizio dell’impianto e l’integrazione tra la nuova automazione di dispositivi basati su Ethernet e quelli tradizionali basati sui bus di campo. Allo stato attuale, per quanto riguarda la sola parte di comunicazione dati, PROFINET raggruppa sotto il suo nome due famiglie di protocolli entrambi basate su Ethernet [6], Profinet CBA e Profinet IO:
• PROFINET CBA (Component Based Automation) è dedicato all’integrazione ad alto livello, per esempio tra differenti linee di produzione, ed offre il supporto per l’integrazione con OLE for Process Control (OPC), Internet ed il WEB, nonché con PROFIBUS e con tutti gli altri bus di campo.
• PROFINET IO è stato progettato per dotare i dispositivi di campo di inter-faccia Ethernet e garantire delle performance deterministiche e real-time. In questo capitolo verrà descritto lo standard Profinet IO nel suo complesso, scendendo nel dettaglio solo dove necessario alla comprensione di fenomeni analiz-zati successivamente nel lavoro di laboratorio. Per una trattazione più approfondita dell’argomento si rimanda a [8], [13], [17], [18] nonchè al sito web del consorzio PI http://www.profibus.com.
2.1
Scalabilità e prestazioni
affidabile e prestante.
Figura 2.1: La comunicazione in Profinet.
Profinet IO (PNIO) è stato progettato per provvedere al controllo remoto di di-spositivi di Input/Output. È un protocollo pensato per il campo che ne soddisfa le caratteristiche critiche di periodicità e real-time. Utilizzando lo Switched Ethernet, tale protocollo raggiunge le più alte prestazioni in termini di tempistiche. I target primari sono la sostituzione dei tradizionali moduli distribuiti di Input-Output, che sono interconnessi attraverso i bus di campo, e l’estensione di applicazione all’ambito del motion control. Supporta tutti i tipi di comunicazione (Non-RT, Real Time (RT) e Isochronous Real Time (IRT)) ed è dedicata ad applicazioni con limiti critici per le condizioni di tempo reale (si fa riferimento al motion control). L’obiettivo diPNIO è quello di trasmettere dati, attraverso l’utilizzo di strutture e apparecchiature di comunicazioni semplici, rispettando performance prefissate. Con il duplice scopo di sfruttare la vasta esperienza accumulata nel settore dei bus di campo e di pro-teggere investimenti precedenti, PROFINET IO ha incorporato in sé concetti quali l’architettura modulare e la programmazione dei dispositivi di campo, ereditandoli direttamente da PROFIBUS. Per ottenere le alte prestazioni richieste nello scambio dati, sono stati necessari alcuni elementi innovativi:
• sono state previste priorità per lo scambio dati;
• accesso differenziato da parte di più sistemi di controllo per lo stesso dispositivo di campo;
• descrizione in un file GSD delle funzionalità del singolo dispositivo di campo; • estensione del modello PROFIBUS DP: la metodologia di accesso Master-Slave
In più la comunicazione avviene su un unico mezzo trasmissivo. In figura2.1sono evidenziate le tre classi con prestazioni RT di Profinet IO.
2.2
Classi di comunicazione
Le varie classi di comunicazioni gestite in Profinet IO sono state divise nelle seguenti quattro categorie.
Figura 2.2: Rappresentazione grafica delle prestazioni temporali delle quattro classi di comunicazione supportate da Profinet IO.
Non-RT: viene considerato per la trasmissione di dati di configurazione o per implementare cicli (con periodo maggiore ai 100ms) che tolleri fino al 100% di variabilità. Per la comunicazione si fa affidamento sui protocolli standard quali TCP e UDP. Vengono supportati anche servizi ICT come la gestione della rete Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), diagnosi di rete Simple Network Management Protocol (SNMP), accesso remoto tramite WEB Hyper Text Transfer Protocol (HTTP) e funzioni di posta elettronica e-MAIL.
RT Classe 1: può realizzare cicli di pochi millisecondi (tipicamente 1-64 ms) a variabilità contenuta (15%). Essa si basa sullo standard Ethernet 802.1Q in cui i dati vengono trasmessi tramite telegrammi Ethernet con priorità; per l’implementazione è sufficiente hardware ethernet standard.
RT Classe 3: denominata IRT-Top è il protocollo di comunicazione più perfor-mante riservato ad applicazioni Motion Control. Rispetto alla RT Classe 2 si ha una più stringente pianificazione temporale del traffico ottenuta tramite la sincro-nizzazione tra il livello di rete e l’applicazione software che gestisce i dati. Il ciclo è selezionabile da un minimo di 250 µs ad un massimo di 4 ms con intervalli di 125 µs. Il jitter è garantito ben al di sotto del µs, così facendo si conosce l’istante pressochè esatto di invio e ricezione di un telegramma IRT-Top. Il completo determinismo ottenuto prevede precisioni di sincronismo maggiori gestite direttamente dall’hard-ware. Una stazione (Master Sync) ha il compito di inviare il telegramma alle altre stazioni apparteneti al dominio di sincronizzazione. La conoscenza della topologia di rete è fondamentale per la determinazione dei ritardi di trasmissione ed in caso di modifiche sulla topologia o sui rapporti di comunicazione, è necessario riprogettare la configurazione.
Nel grafico a figura2.2 sono riportate le quattro classi appena descritte, la clas-se RT 2 e RT 3 sono raggruppate sotto l’acronimo IRT, la classe 1 denominata semplicemente con RT e la classe non-RT è riportata come TCP/IP. Si può per-tanto affermare che i livelli di prestazioni di PROFINET coprono l’intero campo delle applicazioni per l’automazione. In particolare la caratteristica di scalabilità e di standardizzazione della comunicazione sono uno dei punti di forza che permettono l’applicazione del protocollo a tutti i livelli della piramideCIM.
2.3
Classi dei dispositivi
La metodologia di accesso Master/Slave utilizzata in PROFIBUS DP è stata conver-tita con il modello Provider/Consumer. Questo modello sta prendendo piede grazie allo sviluppo di applicazioni distribuite come Profinet. Nei sistemi Master/Slave uno solo dei nodi svolge la funzione di gestore della rete mentre gli altri sono semplici utilizzatori del canale di comunicazione (cioè possono ricevere o trasmettere informa-zioni ma in funzione del controllo del bus fatto dal master). Una rete master/slave in cui ci sono più dispositivi che fungono da master si dice multi-master: in tal caso è necessario un sistema di arbitraggio per i risolvere i conflitti che nascono quando più master richiedono il controllo del canale di comunicazione.
Una rete in cui non ci sono dispositivi che si dedicano al controllo degli accessi al bus è detta di tipo Producer/Consumer. Qualunque nodo può acquisire momenta-neamente il controllo del bus ed iniziare una trasmissione (interfaccia Producer), gli altri nodi in questa fase si attiveranno in ricezione (interfacce Consumer). In questo tipo di protocollo ogni stazione deve essere provvista della lista di variabili che può produrre. Durante la normale trasmissione dati, ad ogni stazione può essere richiesto di produrre una variabile o può richiedere essa stessa la produzione di una variabile. PROFINET specifica quattro tipi di dispositivi:
campo ed è responsabile della configurazione e della parametrizzazione dei di-spositivi associati ad esso. Riceve dati e allarmi e li processa all’interno del programma utente. Esso rappresenta una stazione centrale intelligente, come unPLC.
• IO-Device: dispositivo di bus di campo remoto, che viene assegnato ad un IO-Controller. È configurato da un IO-Controller o da un IO-Supervisor e trasmette ciclicamente i suoi dati di processo al controllore. Esso provvede anche ad informare un IO-Controller su condizioni di diagnostica o di allarme. • IO-Supervisor: dispositivo/PC di programmazione con funzioni di confi-gurazione e di diagnostica, che può scambiare dati con Controller e IO-Device; ha accesso temporaneo ai dispositivi di campo durante il processo di comunicazione.
• IO-parameter-server: dispositivi usati per lo scambio di dati di configura-zione rilevanti per le applicazioni con IO-Device.
Il traffico generato da IO-Supervisor e da IO-Parameter-Server avviene tipica-mente in fase di offline, quindi non sono necessarie prestazioni real time. Durante il funzionamento, i dispositivi periferici (IO-Device) trasferiscono le informazioni di input al controller; esso le elabora e trasferisce le informazioni di output ai dispositivi periferici. Al contrario, lo scambio di dati tra IO-Controller e IO-Device è collegato al compito di automazione in via di svolgimento e perciò ha esigenze temporali cri-tiche.
Dal punto di vista della comunicazione tutti i dispositivi su Ethernet sono trattati allo stesso modo. Il protocollo prevede che ad ogni dispositivo venga assegnato un nu-mero univoco di identificazione, il Device Ident (ID) Number, composto di 32 bit. È stato specificato anche un modello uniforme per i dispositivi IO-Device PROFINET, il quale permette una configurazione dei singoli moduli del dispositivo. Tale modello è simile per caratteristiche a quello di PROFIBUS DP. Un dispositivo di campo può essere modulare, cioè includere degli slot fisici per l’inserzione di moduli, oppure non espandibile (slot virtuali): questa modellizzazione permette di indirizzare i canali di I/O presenti nel sistema con indice univoco. PROFINET IO inoltre distingue tra slot, inteso come spazio fisico ove inserire periferiche (modulo) in un IO-Device, e subslot, che rappresenta un ulteriore livello di indirizzamento. Generalmente uno slot può contenere più subslot, e la capacità del modulo viene definita da chi fornisce il dispositivo di campo, il quale è responsabile della mappatura della funzionalità del dispositivo. Ogni slot e subslot rappresenta un modulo IO e ha un numero fisso di bit di input e output.
Il protocollo PROFINET IO prevede di poter implementare il trasferimento di tre tipologie di dati:
input e output, che vengono inviati sul canale real-time. I dati di I/O sono tra-smessi a cicli di tempo prefissati, la cui frequenza di aggiornamento può essere diversificata per ciascun dispositivo;
• Trasferimento aciclico di allarmi: trasferimento che avviene sul canale real-time; è prevista anche la possibilità di assegnare una priorità agli allarmi; • Trasferimento aciclico di dati non critici: si tratta di parametrizza-zione, configuraparametrizza-zione, lettura di informazioni diagnostiche che sono trasferiti attraverso canali standard sulla base di UDP/IP.
Le caratteristiche di un IO Device sono riportate nel file, in formato XML, chia-mato General Station Description (GSD) [11]. All’interno del file si devono trovare proprietà dell’IO-Device, i moduli inseriti (quantità e tipo), i dati di configurazione individuali del moduli (quantità e tipo), i parametri dei moduli (tipo 4-20 mA) ed il testo con errori per la diagnostica.
2.4
Il periodo di trasmissione Profinet
PROFINET IO effettua lo scambio di dati su un ciclo altamente ripetibile (descrit-to nello standard IEC 61158-5-10) e illustra(descrit-to nella figura 2.3. Un messaggio di sincronizzazione, sync frame, individua l’inizio del ciclo. Le diverse fasi del ciclo sono:
• RED phase: In questa fase solo i messaggi RT Classe 3 possono essere inviati in un fissato momento attraverso un percorso definito con topologia rigida. Ciò comporta che tutti i dispositivi sappiano precisamente quando e verso quale porta è permesso comunicare o mettersi in ascolto.
• ORANGE phase: Solo frame di tipo RT Classe 2 sono trasmessi durante que-sta fase. Anche questi messaggi devono essere scambiati con precise scadenze temporali sebbene la topologia della rete non sia definita rigidamente.
• GREEN phase: Questa fase è composta dai messaggi che utilizzano le priorità Ethernet scandite dallo standard IEEE 802.1Q. La comunicazione durante la fase verde (GREEN) viene usufruita da dispositivi RT Classe 1, da dispositivi RT Classe 2 che non hanno terminato di spedire il frame nella ORANGE phase e dai protocolli TCP e UDP.
• YELLOW phase: Questo periodo di transizione è utilizzato dallo stesso tipo di traffico della fase GREEN. Durante questo periodo (YELLOW phase) solo i frame che possono essere trasferiti completamente entro la fine della fase stessa sono effettivamente trasmessi.
Figura 2.3: Ciclo di comunicazione Profinet IO.
Non-RT occupa almeno il 40%. Nella RT classe 3, essendo la più performante, non devono esserci ritardi di trasmissione o ricezione. Il tool della rete di configurazione calcola il percorso per ogni frame del ciclo; di conseguenza il traffico isocrono deve essere gestito con una rigida topologia, che deve essere determinata durante la confi-gurazione del sistema. Sui frame non è effettuato alcun controllo sull’indirizzoMAC e il riferimento fondamentale sono le tempistiche. Se un messaggio atteso non arriva a destinazione, un frame “dummy” è trasmesso con l’indicazione dell’errore; mentre se un frame non può essere trasmesso ritorna indietro. Proprio per queste motiva-zioni la durata della RED phase deve essere maggiore della più lunga propagazione di ritardo tra sorgente e destinazione di qualsiasi frame IRT. È da notare che la RT classe 3 presenta un jitter molto basso, dal momento che ogni causa di incertezza viene evitata.
Nella RT Classe 2 la topologia delle rete può essere cambiata e non è necessaria la pianificazione di ciascun messaggio, inoltre viene utilizzato l’indirizzoMAC, come di consueto. Nel caso di traffico ingente nella rete, i frame vengono bufferizzati e inviati appena possibile.
In RT Classe 1 è utilizzata la gestione della priorità e, se i pacchetti sono dotati di VLAN tag, trasportano un valore di priorità da 0 a 7: gli switch gestiscono questo traffico in base a questa scala di priorità.
2.5
Lo stack di comunicazione
caso di Profinet RT avviene un incapsulamento a livello 2 (si veda1.4.4) mentre nel caso IRT si rientra nella categoria Ethernet modificata (sempre 1.4.4) dove viene però richiesta una speciale interfaccia hardware per poter fornire una comunicazione determistica ed isocrona di alto livello.
Figura 2.4: Stack di comunicazione RT (a sinistra) e IRT (a destra).
2.6
I canali di comunicazione
Figura 2.5: Canali di comunicazione a livello Application.
ricevuti. Per esempio, se un frame atteso in ingresso non si manifesta entro 3 cicli, l’IO-Controller determina l’errore o il guasto del rispettivo IO-Device. Gli eventi aciclici sono trasmessi su “Alarm CR” agli IO-Controller; una trattazione completa ed esaustiva la si può trovare in [13].
2.7
Scambio di dati ciclico
La IO CR implementa lo scambio dei dati ciclico. La frequenza di aggiornamento di ogni dispositivo è costante e prefissata in fase progettuale; tale sistema consente di evitare al controllore l’elaborazione dei dati in base all’effettiva urgenza delle informazioni trasferite dai vari IO Device. Per la descrizione di uno scambio dati ciclico, lo standardPNIO definisce alcuni termini:
• Ciclo di bus: la base dei tempi è di 31.25 µs; può arrivare fino a 4 ms, valore tipico è 1 ms.
• Reduction Ratio indica ogni quanti cicli viene spedito il frame da un IO Device all’IO Controller; il ciclo di invio è calcolato moltiplicando il Reduction Ratio per il Ciclo di bus.
• Frame Offset indica l’offset di un dato frame dall’inizio del ciclo bus al momento in cui viene spedito il frame stesso.
• Fase indica in quale ciclo di bus il frame corrispondente verrà spedito. Nella figura2.6viene rappresentato quanto appena descritto.
2.7.1 Il ciclo RT
Figura 2.6: Traffico ciclico dei dati in PNIO.
così controllato e limitato attraverso questi procedimenti facendo attenzione che il processo che si occupa dell’invio di pacchetti non spedisca alcun pacchetto RT se all’inizio del nuovo ciclo esiste una situazione di sovraccarico dell’interfaccia locale; e tenendo presente che non è generalmente concesso utilizzare più di un certo valore di banda onde evitare il sovraccarico del sistema. Un pacchetto di PNIO tipo RT è riportato in figura2.7dove:
Figura 2.7: Struttura del frame Profinet IO Real Time Classe 1.
• preamble: sequenza di bit usata per la sincronizzazione con il ricevitore; • Start Frame Delimiter: sequenza di bit che specifica l’inizio del frame; • destination Address: è l’indirizzo MAC del nodo destinatario;
• source Address: è l’indirizzo MACdel nodo sorgente; • type: 0x8100 esprime il Virtual LAN Header;
• VLAN: contiene le specifiche per la VLAN; • ethertype: per PNIO è 0x8892;
• frame ID: indica il tipo di frame Profinet, ad esempio RT classe 1, 2 o 3, trasmissione aciclica, etc.;
• cycle counter: contatore di ciclo, ogni bit rappresenta un incremento tem-porale di 31.25µs (valore che va a definire il tempo di bus descritto in 2.7); • data status: indica lo stato dei dati;
• transfer status: indica se la trasmissione è avvenuta regolarmente;
• Frame Control Sequence: è la sequenza di controllo della correttezza del frame.
2.8
Integrazione dei bus di campo
PROFINET specifica un modello per l’integrazione dei bus di campo esistenti (PRO-FIBUS, INTERBUS, DeviceNet, etc.) permettendo la costruzione di un sistema mi-sto, in cui coesistono segmenti basati e su bus di campo e su Ethernet: è una vera e propria tecnologia di transizione dai bus di campo a PROFINET.
Capitolo
3
Strumentazione da laboratorio e
dispositivi Profinet IO
Weightpack, come già descritto a pagina 5, è azienda leader nella produzione e com-mercializzazione di macchine riempitrici a peso netto di sostanze liquide non gasate. Tali macchine, essendo interamente progettate e prodotte negli stabilimenti azien-dali, richiedono un know-how non indifferente sia per il funzionamento meccanico, sia per il controllo elettronico del processo. Weightpack ha preferito sviluppare una struttura produttiva leggera facendo ampio uso di terze parti per la costruzione ed il pre-assemblaggio dei moduli, prediligendo in questo modo l’investimento economico nella ricerca e nello sviluppo aziendale. Da questo tipo di filosofia nasce questo lavo-ro di tesi, sviluppato da Weightpack in collaborazione del Dipartimento d’Ingegneria dell’Informazione dell’Università degli studi di Padova e del CNR.
Allo stato attuale le macchine imbottigliatrici sono controllate e gestite da un PLC, che funge da Master, hanno alcuni Slave decentrati, uno SCADA che ne effettua la supervisione, varie schede con trasduttori di acquisizione dati dal campo e svariati sistemi che controllano attuatori e motori che movimentano la macchina; essendo impiegato un PLC di marca Siemens, vien da sè che il fieldbus più utilizzato nelle macchine è il Profibus.
Come descritto nel capitolo 2, Profinet IO è un nuovo sistema per la comunicazione industriale e Weightpack, focalizzata sull’innovazione tecnologica dei suoi prodotti, non ha potuto di certo stare a guardare da distante l’evolversi dell’automazione in-dustriale. Volendo migrare interamente da un sistema Profibus ad un sistema di comunicazione Profinet risulta necessario reperire dispositivi in commercio che siano in grado di sostituire, od eventualmente integrare, quelli utilizzati e consolidati da ormai molti anni in ambiente Profibus.
Figura 3.1: Foto dei dispositivi utilizzati nel laboratorio del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione.
dispositivi PNIO in possesso, i software di supporto utilizzati per questo lavoro e gli strumenti di misura con i quali si son potuti rilevare dati importanti ai fini della caratterizzazione del nostro dispositivo d’interesse.
La linea di prodotti più completa presente sul mercato è senz’altro quella di Sie-mens, la quale propone una serie di controllori PLC e unità di periferia decentrata già muniti di interfaccia Profinet IO, nonchè una linea di switch ad alte prestazioni denominati ”Scalance” che supportano pienamente le funzionalità di comunicazione richieste.
3.1
Il PLC “Siemens S7-300”
Il dispositivo utilizzato come IO-Controller in una prima fase di misure è la CPU 315-2 PN/DP della famiglia Simatic S7-300 di Siemens riportato il figura3.2(a), la cui documentazione tecnica è consultabile in [20], [21] e [23]. Trattasi di un PLC di media potenza di calcolo, adatto al comando di singole macchine o parti di linee di produzione, è dotato di una memoria interna di tipo RAM di 128 KByte in cui viene memorizzato il programma utente e di una memoria esterna di tipo MMC di capacità massima di 8 MByte, utilizzata anche per l’archiviazione di dati.
La CPU 315-2 PN/DP integra un’interfaccia di comunicazione MPI/DP per il collegamento Profibus: con questa è possibile effettuare fino a 16 collegamenti con altre stazioni S7-300, dispositivi di programmazione Siemens (PG) o PC ed è possibile scambiare dati con al massimo 32 moduli collegati al bus di campo.
(a) PLC. (b) Switch.
Figura 3.2: Foto della CPU 315 PN/DP e dello Scalance X204IRT utilizzati in laboratorio.
• Comunicazione S7 riservata allo scambio dati tra stazioni di controllo Sima-tic.
• RT Classe 1 per lo scambio di dati ciclici con IO-Device.
• Comunicazione PG/PC per l’interfacciamento con dispositivi Human Ma-chine Interface (HMI) e sistemi SCADA.
• Comunicazione Open TCP/IP per Simatic Net OPC Server.
La CPU integra un’interfaccia Web Server accessibile da qualsiasi PC della rete che permette un rapido accesso a dati di diagnostica in pagine in formato html. L’attivazione del Web Server è facoltativa ed avviene in fase di configurazione della CPU; le informazioni disponibili con tale supporto sono:
• informazioni identificative del prodotto; • contenuto del buffer di diagnostica; • messaggi (in modalità sola lettura);
• informazioni sul collegamento di rete Profinet; • stato e tabelle delle variabili;
• pagina iniziale con informazioni generali e di stato della CPU.
intervalli di trasmissione minimi di 1ms1: tale valore dipende dalle prestazioni della CPU, dal numero di IO device e dal flusso di dati nella rete.
3.2
Lo switch “Scalance”
Siemens propone una serie di switch ad alte prestazioni adatti all’utilizzo in ambien-ti industriali. Quello a nostra disposizione nel lavoro di tesi è il modello Scalance X204IRT. Come si può vedere dalla foto a figura3.2(b), ha 4 porte RJ45 ed una dop-pia alimentazione a 24 V dc. Le porte Ethernet hanno funzionalità di autonegotiation e di autocrossover: vengono così evitati errori causati dall’errato cablaggio dei cavi di rete Ethernet rendendo più semplice l’installazione all’utente finale. L’X204IRT as-sicura ottime prestazioni e massima compatibilità con i più comuni protocolli basati su Ethernet e supporta tutte le tre classi Real Time previste dallo standard Profinet, utilizzando il meccanismo switching “Cut Through”. Come per la CPU315, anche lo switch dispone di un Web Based Management accessibile tramite broswer o utiliz-zando servizi TELNET, TFTP o SNMP. Oltre a numerose funzioni di diagnostica e di stato, è possibile:
• impostare le porte per la rindondanza nel caso di collegamento ad anello. • gestire la funzionalità di e-mail agent per l’invio di e-mail contenenti dati sulla
diagnostica.
• configurare e abilitare il Port Mirroring, vale a dire che il traffico di dati viene rispecchiato dalla Mirror Port alla Monitor Port.
3.3
L’IO device “ET200M”
È un’unità di periferia decentrata per la gestione di ingressi ed uscite analogiche e/o digitali ed anche questo modulo, come il PLC, è di marca Siemens. La gamma di prodotti proposta da Siemens per la branchia dell’automazione industriale vanta di una modularità d’impiego che permette differenti configurazioni con l’utilizzo di pochi moduli. La soluzione utilizzata in fase di misura è un modello ET200M che prevede il collegamento di un modulo con ingressi ed uscite, come l’SM323 (8 Digital Input (DI) e 8 Digital Output (DO)) per il collegamento di interruttori normali e di prossimità a due fili (ad esempio elettrovalvole, relè, piccoli motori, spie luminose, etc.). Il costruttore specifica nel datasheet [21] i tempi di commutazione delle uscite che variano tra i 100 µs e i 500 µs, mentre i tempi di ritardo di commutazione degli ingressi variano tra 1.2 ms e 4.8 ms. Durante il lavoro di tesi non si disponeva di tale modulo, bensì del SM374, unità di simulazione che, con l’ausilio di un giravite, si poteva impostare come unità a 16DI, a 16DO oppure a 8DIe 8 DO. Quest’ultimo settaggio è stato quello di nostro interesse nella fase di configurazione con Step7: nel
1
Tempo che intercorre tra due comunicazioni successive. Sebbene nel software Step7 di Siemens non vi sia la possibilità di modificare tale valore, esso corrisponde al parametro presentato in2.7
database del programma infatti non è presente l’unità I/O SM374 in quanto si tratta di un’unità che serve a simularne altre (SM323 nel nostro caso). La connessione fi-sica avviene tramite backplane, standard di connessione Siemens, attraverso il quale vengono scambiati tutti i dati IO e di configurazione.
Il modulo utilizzato è l’IM 153-4 PN grazie al quale sono gestibili fino a 12 unità
Figura 3.3: Foto del modulo ET200M complessivo di unità modulare I/O SM374.
modulari di I/O; integra al suo interno uno switch a due porte che permette di in-serirlo in una struttura con topologia di rete lineare o ad anello. Supporta servizi Ethernet quali ping, arp, diagnostica di rete SNMP e funzioni di allarme quali al-larmi di diagnostica, estrazione/inserimento, manutenzione ed interrupt di processo; permette la comunicazione in tempo reale RT Classe 1 e Classe 2.
3.4
L’IO device “Anybus”
Figura 3.4: Gamma di prodotti Anybus di HMS e relativi protocolli di rete supportati.
Ethernet/IP, EtherCAT, CC-Link, ControlNet, CANopen, Interbus, FIPIO, J1939, Lonworks, AS-Interface USB e Bluetooth.
3.4.1 Anybus-IC
È un chip progettato e costruito da HMS come interfaccia di comunicazione ultra-compatta installabile su alloggiamento per chip DIL-32. AnyBus Integrated Circuit (ABIC), è una famiglia di interfacce complete a singolo chip per reti industriali, ot-timizzata per i dispositivi di campo che richiedono una connettività di rete multipla in un ingombro ridotto; è basato sul microcontroller di comunicazione Anybus NP30 RISC di HMS, include tutti i componenti elettronici e il software necessario per im-plementare un’interfaccia di comunicazione industriale completa. Tutti i componenti sono integrati in un unico socket che occupa circa 9 cm2. Questo chip richiede
l’ali-mentazione di 5 V e fornisce un’interfaccia di rete completa con isolamento galvanico. Per ogni rete è disponibile una versione ABIC separata. La standardizzazione delle interfacce meccaniche, elettriche e software offre la possibilità di interscambio tra un chip ABIC e l’altro (vedi a figura3.5) ed è proprio l’intercambiabilità di questi chip il motivo di interese di Weightpack per questa famiglia di dispositivi. ABIC integra
Figura 3.5: ABIC per vari tipi di rete.
rete selezionata, Profinet IO nel nostro caso. Se tale dispositivo è dotato di micro-controllore integrato l’ABIC viene interfacciato tramite la porta seriale asincrona a TTL, altrimenti, in apparati privi di intelligenza, esso controlla in autonomia una serie di shift register (per un massimo di 128 bits di traffico scambiato). In entrambi i casi l’ABIC gestisce l’intero protocollo Profinet IO. Il modulo è dotato di un sistema di mappatura flessibile dei dati: i dati ricevuti da un canale di comunicazione pos-sono essere mappati in un altro canale, e viceversa. Per meglio spiegare il fenomeno
Figura 3.6: Gestione dei canali nell’ABIC.
3.4.2 Interfaccia di comunicazione seriale asincrona - SCI
A diporre di un microcontrollore dedicato sono i cosidetti dispositivi “intelligenti”; questo viene collegato all’ABIC attraverso una porta seriale asincrona di comunica-zione, a tecnologia TTL. Il canale Serial Communications Interface (SCI) può essere utilizzato sia per lo scambio dati sia per la configurazione dell’ABIC. Il protocollo di comunicazione si basa sullo standard Modbus-RTU e vengono utlizzati solitamente tre segnali:
• SCI_Tx Asynchronous serial output; trasporta i dati dall’ABIC all’applica-zione;
• SCI_Rx Asynchronous serial input; trasporta i dati dall’applicazione all’A-BIC;
• SCI_DE questo segnale abilita l’uscita di dati su reti in half-duplex. Connet-tendo questo segnale a terra si disabilita l’invio della configurazione via SCI e il chip viene inizializzato in automatico come dispositivo stand alone.
Attraverso questa interfaccia è possibile scambiare fino ad un massimo di 128 bytes in ingresso ed altrettanti in uscita con un baudrate compreso tra 4.8 kbps e 57.6 kbps.
3.4.3 Interfaccia di comunicazione seriale sincrona - SSC
Per i dispositivi sprovvisti di microcontrollore l’ABIC fornisce un’interfaccia di comu-nicazione a registri con variazione del clock, tale Synchronous Serial Channel (SSC), per l’accesso diretto ai dati ciclici di I/O senza l’ausilio di un controllore esterno aggiuntivo. Il canale SSC è destinato all’uso con un anello di shift register, esterni
Figura 3.7: Anello di comunicazione del canale SSC nell’ABIC.
dell’ABIC (manualmente dall’interfaccia MIF su Hyperterminal come descritto in 3.4.1 oppure da parametrizzazione fornita attraverso canale SCI come descritto in 3.4.2).
L’aggiornamento sul canale SSC dei dati in ingresso ed in uscita avviene con un tem-po di refresh di 4 ms. Tale titem-po di funzionamento è stato oggetto di approfondimento durante questo lavoro di tesi poichè si era rilevata una discordanza notevole tra va-lori forniti nel datasheet [25] ed i risultati delle misure eseguite in laboratorio: test sul clock del dispositivo e l’analisi dei pacchetti dati scambiati hanno confermato la validità delle misure da noi effettuati e l’imprecisione è stata segnalata al costruttore. 3.4.4 La scheda “Evaluation Board”
Per poter utilizzare e testare il chip ABIC si è avuta in dotazione la scheda di valu-tazione ABIC-EVB, sempre di HMS. Tale scheda consente di inizializzare il modulo ABIC e di monitorarne lo scambio dati, ha al suo interno degli shift register per poter utilizzare il canale SSC, una porta MIF per la configurazione via terminale, una RS323 e un uscita TTL per il canale SCI.
Queste interfacce funzionano in maniera indipendente una dall’altra e possono esse-re utilizzate in contemporanea. Per il canale sincrono l’EVB mette a diposizione 3 byte di ingresso (due dip switch da 8 bit ed un potenziometro conADC) e 3 byte di uscita (due a led ed uno con schermo 0-5 V analogico preceduto da un DAC). Per quanto rigurada il canale asincrono invece l’EVB dispone di una interfaccia a TTL per collegamento al micro-controllore esterno ed una RS-232 per il collegamento se-riale al PC. Per trasmettere dati nella linea sese-riale sono necessari dei drivers per la conversione dei livelli logici TTL in livelli di tensione RS-232; mentre per convertire i livelli di tensione RS-232 relativi ai dati ricevuti occorre impiegare dei ricevitori di linea in grado di fornire livelli logici TTL al micro-controllore: entrambi i dispositivi sono integrati nella EVB grazie al circuito MAXIM 232 a 16 pin. In figura 3.8 si riporta una foto dettagliata con spiegate in tabella 3.1 le varie componenti fisiche della scheda.
3.5
La stazione PC
La staione PC è stata utilizzata in diversi modi nel corso del lavoro. In un primo tempo è servita per la configurazione del PLC e della rete Profinet, poi per la confi-gurazione dell’ABIC; ha quindi fatto daSCADAal sistema gestito dal PLC ed infine ha fatto da PLC. Tutte queste funzioni sono state possibili grazie a diversi soft-ware e tools di sviluppo forniti interamente da Weightpack: nel seguito daremo una descrizione degli stessi.
3.5.1 Il tool progettuale Step7
Figura 3.8: Illustrazione con dettagli dell’Evaluation Board fornita da HMS in supporto all’ABIC.
# Spiegazione della figura 3.8
1 Potenziometro per valori analogici (Input byte # 2) 2 Dip switch per valori di input digitali (Input byte # 1) 3 Dip switch per valori di input digitali (Input byte # 0) 4 Jumper per l’abilitazione del canale SCI/switch di reset 5 Viti per il fissaggio di connettori di campo
6 Interfaccia di campo
7 Socket per il connettore di campo 8 Alloggiamento DIL-32 per l’ABIC
9 Led per l’uscita digitale/Led di diagnostica (Output byte #0) 10 Led per l’uscita digitale (Output byte #1)
11 Display digitale per l’uscita analogica (Output byte #2) 12 Connettore di alimentazione (5 V dc, 800 mA)
13 Connettore di interfaccia MIF (RS-232) 14 Connettore di interfaccia SCI (RS-232) 15 Connettore di interfaccia SCI (5 V TTL)
16 Connettori per l’espansione degli shift register dell’interfaccia SSC
Tabella 3.1: Spiegazione delle componenti della scheda ABIC-EVB.
dicitura SIMATIC. Il software viene fornito per l’istallazione su sistemi operativi Windows. Per ogni progetto esso prevede determiati passaggi (step):
Un progetto è paragonabile ad una cartella, nella quale tutti i dati sono orga-nizzati gerarchicamente. Preparando la stazione si definisce il controllore, che nel nostro caso sarà una stazione SIMATIC 300.
• Configurazione dell’hardware
Nella fase di configurazione si definisce in una tabella di configurazione quali unità vengono utilizzate per la soluzione di automazione, e mediante quali indirizzi le unità devono essere raggiungibili dal programma. È inoltre possibile impostare le proprietà delle unità per mezzo di parametri.
• Progettazione di reti e collegamenti di comunicazione
La base per la comunicazione è costituita da una rete precedentemente confi-gurata. A tal fine, occorre creare le sotto-reti necessarie per le reti di auto-mazione, definire le proprietà delle sotto-reti, le proprietà del collegamento di rete per le stazioni collegate, ed eventualmente i collegamenti occorrenti per la comunicazione.
• Creazione del programma
Con uno dei linguaggi di programmazione disponibili, l’utente crea un pro-gramma assegnato a unità o indipendente dalle unità, e lo salva sotto forma di blocchi, sorgenti o schemi. Nel nostro caso i programmi di prova sono stati scritti in linguaggio AWL.
• Caricamento dei programmi nel sistema di destinazione
Dopo aver terminato la configurazione, la parametrizzazione e la creazione del programma, è possibile caricare il programma utente completo o i suoi singoli blocchi nel sistema di destinazione (unità programmabile della soluzione hardware decisa dall’utente). La CPU contiene già il sistema operativo. Per la configurazione di una rete Profinet è necessario inoltre parametrizzare l’interfaccia di accesso alla rete stessa; in pratica viene abilitata la scheda di rete del PC in cui è caricato lo STEP 7. Bisogna tenere conto dell’indirizzo IP e dell’indirizzo di sotto rete dell’interfaccia per evitare malfunzionamenti in fase di download delle impostazioni. Anche ad ogni dispositivo di rete deve essere assegnato un IP e un Subnet Mask oltre che un nome dispositivo univoco.
Configurazione hardware
In “Configurazione HW” si possono settare i parametri per ogni unità inserita nel progetto. Per la CPU315-2 PN/DP è stato attivato il web server e associato un indirizzo IP (192.168.0.1) per poter accedere ai dati di diagnostica in modo rapido ed è stato impostato, talvolta, il campo relativo alla schedulazione dell’orologio (blocco OB35). Quest’ultima permette di interrompere la sequenza ciclica di programma, che viene elaborata nel blocco organizzativo OB1, per eseguire le istruzioni caricate nel blocco organizzativo OB35.
s. Per le misurazioni questo valore è stato impostato a 4 ms, 16 ms, 64 ms e 256 ms, a seconda della misura da fare. Si è usata la schedulazione dell’orologio del PLC in quanto era necessario cercare di seguire il ciclo di aggiornamento della comuni-cazione degli IO device per avere delle misure che fossero attendibili. Chiaramente, come ci si poteva aspettare, non si è potuto creare un perfetto sincronismo tra le due tempistiche; tuttavia l’accorgimento utilizzato è stato di grande aiuto ai fini della comprensione delle misure effettuate.
Il set di dati impostati per configurare l’IM153-4 (IP 192.168.0.5) prevedono la scelta della modalità di sincronizzazione e il tempo di aggiornamento del ciclo IO. Nella scheda “Sincronizzazione” è possibile impostare il tipo di comunicazione; come già detto l’IM153-4 prevede le classi di comunicazione RT e IRT. Visto che la CPU sup-porta solamente la RT classe 1 non si ha possibilità di scelta. Il ciclo di IO si riferisce alla ciclicità temporale con cui avviene lo scambio di dati Real-Time tra l’IO-device (ET200M) e l’IO-Controller (CPU315-2 PN/DP). Il valore impostabile parte da un minimo di 1ms ad un massimo di 512 ms.
Il chip ABIC (IP 192.168.0.4) supporta solamente la RT classe 1 ed anche in questo caso i tempi di aggiornamento utilizzati sono uguali ai tempi impostati nella sche-dulazione dell’orologio. Sebbene il dispositivo avesse un web server integrato si è preferito utilizzare l’interfaccia MIF per la sua configurazione.
Contrariamente nello Scalance (IP 192.168.0.2) è stato utilizzato parecchio la fun-zione di web server, in quanto dotato di una chiara e semplice diagnostica e di una buona scelta per il settaggio del dispositivo. Dal web management dello switch si è attivata la funzionalità di Mirroring quando è stato necessario monitorare il traffico scambiato su di una determinata porta dello switch; per fare ciò si è utilizzato il pro-gramma freeware “WireShark Network Protocol Analyzer”: è un analizzatore di rete software che sfrutta l’accesso a risorse di basso livello del sistema operativo andando a catturare i pacchetti memorizzati nel buffer di ingresso della scheda di rete. Questo si è rilevato molto utile per l’analisi della tipologia dei pacchetti ma non di certo per una misurazione temporale, a causa del non determinismo del sistema operativo. Parametro fondamentale in fase di configurazione è il tempo di ciclo di Profinet IO. Step7 non dà la possibilità all’utente di settarlo manualmente, bensì viene calcolato ed impostato in base ai dispositivi collegati e alle prestazioni selezionate su di essi. Avendo la nostra configurazione pochi dispositivi collegati tale tempo è risultato di 1ms (il minimo tempo supportato dalla CPU).
3.5.2 Lo SCADA “Zenon”
(palmari CE, computer e pagine web) con lo stesso editor e beneficiano di una in-tegrazione completa e di una indipendenza da un tipo specifico di risoluzione; ciò significa che ogni progetto può essere utilizzato senza alcun ulteriore adattamento in ogni tipologia di rete e con ogni sistema operativo; anche la grandezza dell’immagine viene adattata automaticamente alla risoluzione del monitor del sistema destinatario. È un utile strumento che permette di strutturare la produzione con la modellazione ad impianti secondo lo standard ISA-S95 ed analizzare dati in tempo reale; esigenze differenti vengono gestite con profili individuali che si orientano all’utente loggato e permettono diritti di accesso differenziati.
Altro punto di forza di Zenon sta nella precisione che c’è alla base del suo sviluppo, specie per quanto riguarda la registrazione e l’analisi dei dati di processo supervisio-nati e/o elaborati dal sistema. Si può disporre in ogni momento di dati archiviati ed elaborati ed avere una solida base per poter prendere delle decisioni ponderate consultando. Zenon garantisce un salvataggio e un’archiviazione precisi e puntuali di tutti i dati che possono essere rilevanti e lancia autonomamante un allarme ogni volta in cui sia necessario l’intervento di un operatore addestrato.
Tutte queste caratteristiche permettono ad un’azienda di aumentare la produttività e di ridurre sia il Time to Market sia i costi. Una descrizione più approfondita del software e delle sue caratteristiche la si può trovare nel sito web di Copadata [28], in [29] e [30].
Il soft-PLC “Straton”
La soluzione integrata di Zenon e Straton permette lo scambio di variabili struttura-te. I blocchi di funzioni di straton possono essere supportati da variabili complesse. In tal modo viene eliminato il problema del cosiddetto “broad-band cabling”. Que-sta soluzione offre una visione d’insieme più chiara e, di conseguenza, una maggiore velocità nella fase di progettazione. Straton RTK (Real Time Kernel) offre un ef-fettivo funzionamento in tempo reale per le applicazioni PLC su un PC industriale equipaggiato con Windows XP o Windows XP embedded. Straton RTK si distingue per la possibilità di ridurre i tempi di latenza del sistema e di gestire i “bluescreeen”, cioè quegli errori di sistema che il sistema operativo non è in grado di risolvere. La selezione del fieldbus si effettua mediante un configuratore semplice da utilizzare, i cui driver sono già inclusi nel pacchetto software. Straton offre due possibili im-plementazioni del Real Time: la prima definita HRT, la seconda SRT (vedi sezione 1.4.1).
3.6
L’oscilloscopio “HP”
Figura 3.9: Istantanea dell’ambiente di sviluppo di Zenon.
tra due segnali, etc. L’oscilloscopio è stato utilizzato per le varie misure temporali e di tensione ma anche per comprendere l’andamento di alcuni segnali e carpirne le relative forme d’onda.
A causa della limitata disponibilità di memoria dello strumento la precisione delle misure temporali presenta un errore relativo sulla misura che varia in base alla scala di visualizzazione impostata. I valori calcolati sono accettabili e vengono riportati nella tabella3.2. Le misurazioni, di cui si parlerà nel capitolo 4, sono state effettuate
ms/DIV Sa/s Errore assoluto
200 250 4 ms 100 500 2 ms 50 1k 1 ms 20 2.5k 0.4 ms 10 5k 0.2 ms 5 10k 0.1 ms 2 25k 0.04 ms 1 50k 0.02 ms
Tabella 3.2: Si riportano gli errori assoluti ricavati in base alle impostazioni dell’oscillo-scopio nell’acquisizione delle misure.
aggiornamento di 256 ms si ha un errore sulla singola misura di 1 ms; con tempo di aggiornamento di 64 ms si ha un errore di 0.4 ms mentre nel caso di 16 ms si ha un errore di 0.1 ms. Dove siano presenti misure eseguite con tempi di aggiornamento di 4 ms, l’errore scende ancora fino ad un minimo di 20 µs.
